CN111349297B - 一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机‑无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料，是以聚四氟乙烯、热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛及摩擦性能调节剂为原料，通过混料、预成型、冷等静压成型、烧结成型工艺制备而成。摩擦学性能测试结果显示，采用不含有纤维和晶须的有机无机填料改性聚四氟乙烯后，其压缩强度显著提高，具有高承载能力；摩擦系数明显增大，体积磨损率明显减小，有效避免了对磷青铜对偶的磨损。其作为超声电机用聚合物摩擦材料，解决了现有摩擦材料在超声电机长时间连续工作下定子表面磨损的现象，有助于延长超声电机摩擦材料使用寿命，并提高超声电机可靠性。

Description

一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种聚四氟乙烯基摩擦材料，尤其涉及一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料及其制备方法，可用于超声电机摩擦片的加工，用属于复合材料技术领域和耐摩擦技术领域。
背景技术
超声电机是一种新型微特电机，它利用压电材料的逆压电效应，使弹性体在超声频段内产生振动，通过定子与转子之间的摩擦获得运动和力矩，具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、噪声低、无电磁干扰等优点，在空间探测、智能武器、高分对地观测卫星、精密仪器等领域具有广泛的应用国内前景，已成功应用于我国的“嫦娥三号”、“嫦娥四号”月球探测器、无人机、智能炮弹等高技术领域。
由于超声电机通过摩擦界面输送动力，因而界面的摩擦特性对超声电机整体性能的发挥至关重要。摩擦材料的好坏将影响超声电机的输出特性（力矩、效率、噪声）和使用寿命。目前超声电机摩擦材料主要为聚四氟乙烯（PTFE）基体的聚合物摩擦材料。聚四氟乙烯动静摩擦系数接近，热化学性质稳定、易加工等优点非常满足超声电机对摩擦材料的要求。但纯PTFE硬度低、承载能力低、易蠕变，耐磨性能较差，必须进行改性才能满足超声电机摩擦材料使用要求。目前，通过填充纤维、晶须、金属粉末（铜粉等）等提高其承载和抗磨损能力。但用纤维、晶须会造成软金属对偶表面的磨损，采用铜粉填充会带来摩擦系数的降低，影响输出力矩和转化效率。也有采用热塑性聚酰亚胺、聚苯酯等有机填料填充聚四氟乙烯降低线膨胀系数，提高尺寸稳定性。还有采用纳米氧化铝、云母填充聚四氟乙烯提高摩擦系数，并提高耐磨性。但是这些现有聚四氟乙烯摩擦材料主要应用于不连续或工作时间较短工况条件下的超声电机使用。在长时间连续工作状态下，摩擦升温，聚合物软化，摩擦材料中的晶须、纤维暴露在摩擦接触界面，会造成磷青铜定子表面发生磨损，不但会影响振动特性，产生的磨屑会进一步加剧聚合物摩擦材料的磨损，极大地缩短了摩擦材料的寿命，摩擦材料寿命缩短现象在真空应用下的超声电机中尤为明显。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中聚四氟乙烯基聚合物摩擦材料存在的问题，提供一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料，以解决现有摩擦材料在超声电机长时间连续工作下对定子表面磨损的现象，有助于延长超声电机摩擦材料使用寿命，并提高超声电机可靠性。
一、聚四氟乙烯基复合摩擦材料的制备
本发明聚四氟乙烯基复合摩擦材料，是由以下原料组分和工艺制备而成：
原料组分（以质量份计）：聚四氟乙烯50~70份；热固性聚酰亚胺15~25份；纳米氮化钛2~7份，摩擦性能调节剂2~10份。其中聚四氟乙烯的粒径为100~150μm。热固性聚酰亚胺为苯乙炔苯酐封端的联苯型聚酰亚胺，其粒径为45~75μm。纳米氮化钛的粒径为10~30nm。摩擦性能调节剂采用云母、滑石粉、高岭土、蒙脱土中的一种或几种的混合物，其粒径为25~38μm。
聚四氟乙烯具有耐高低温、抗腐蚀性以及宽温域下摩擦系数稳定等特点；纳米氮化钛硬度高，能有效提高材料摩擦系数，减少磨损；热固性聚酰亚胺与常规热塑性有机高分子填料相比，耐温等级更高，改善聚四氟乙烯承载能力效果更佳；选用云母、滑石粉、高岭土、蒙脱土等作为摩擦性能调节剂，少量填充可以起到稳定摩擦系数、提高耐磨性的作用。有机、无机填料与聚四氟乙烯协同，可有效增强聚四氟乙烯基摩擦材料的力学性能和摩擦性能。
制备工艺：
（1）混料：将聚四氟乙烯、热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛与摩擦性能调节剂混合，在50~80rpm搅拌3~5min后，投入气流粉碎机，在气流粉碎室压力0.2~0.5MPa下混合5~10min；然后振荡筛过滤杂质，烘干，即得均匀的混合料；
（2）预成型：将上述混合料放入金属模具，水平放置在液压机上，在25~35MPa的压力下压制3~5分钟，脱模，得到预成型毛坯；
（3）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，置于冷等静压机中，以水为介质，在35~50MPa下保持10~15分钟，得到冷等静压毛坯；
（4）烧结成型：将冷等静压毛坯置于烧结炉中，由室温逐步升温至370~385℃，保温150~210分钟；烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯基复合摩擦材料。
二、聚四氟乙烯基复合摩擦材料的性能测试
1、压缩强度
测试方法：GB/T 1448-2005。
测试结果：压缩强度（5%形变）≥20MPa。
2、摩擦性能
测试方法：GB/T3960，200N，200rpm，120min。
测试结果：摩擦系数≥0.28，体积磨损率≤9.00×10-6mm3/N.m。
摩擦学性能测试结果显示，采用不含有纤维和晶须的有机无机填料改性聚四氟乙烯后，其压缩强度显著提高，具有高承载能力；摩擦系数明显增大，体积磨损率明显减小，有效避免了对磷青铜对偶的磨损。其作为超声电机用聚合物摩擦材料，解决了现有摩擦材料在超声电机长时间连续工作下定子表面磨损的现象，有助于延长超声电机摩擦材料使用寿命，并提高超声电机可靠性。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明聚四氟乙烯基复合摩擦材料的原料组分、制备工艺以及摩擦性能作进一步说明。
实施例一
1、原料配比：聚四氟乙烯120g；热固性聚酰亚胺40g；纳米氮化钛6g，摩擦性能调节剂（云母）6g。
2制备工艺：
（1）混料：将聚四氟乙烯、热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛与摩擦性能调节剂混合，在搅拌速度50rpm下搅拌5min；将混合物料投入气流粉碎机，在气室压力0.2MPa下高速混合10min；混合均匀后振荡筛过滤杂质，烘干，即得到均匀的混合料；
（2）预成型：将上述混合料放入金属模具，水平放置在液压机上，在25MPa的压力下压制4分钟，脱模，得到预成型毛坯；
（3）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，置于冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；冷等静压成型条件：介质：水；压强：35MPa；保持时间：15分钟；
（4）烧结成型：将冷等静压毛坯置于烧结炉中，由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温210分钟，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯基复合摩擦材料样品。
3、性能指标：压缩强度：25.5MPa，摩擦系数：0.32，体积磨损率：6.90×10-6mm3/N.m。
对比例：原料：纯聚四氟乙烯150g。制备工艺过程同实施例一。性能指标：压缩强度（5%形变）：15.5MPa，摩擦系数：0.15，体积磨损率：2.9×10-4 mm3/N.m。
通过对比发现，通过热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛以及摩擦性能调节剂填充聚四氟乙烯，压缩强度显著提高，摩擦系数增大，体积磨损率降低。压缩强度提高了64.5%，摩擦系数增大了113%，体积磨损率降低了97.6%。
实施例二
1、原料配比：聚四氟乙烯140g；热固性聚酰亚胺30g；纳米氮化钛8g，摩擦性能调节剂（高岭土）6g。
2、制备工艺：
（1）混料：将聚四氟乙烯、热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛与摩擦性能调节剂混合，在搅拌速度60rpm下搅拌4min；将搅拌混合料投入气流粉碎机，在气室压力0.4MPa下高速混合6min，混合均匀后振荡筛过滤杂质，烘干，即得到均匀的混合料；
（2）预成型：按上述原料混合均匀，放入金属模具，水平放置在液压机上，在30MPa的压力下，压制4分钟，脱模后得到预成型毛坯；
（3）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，放入冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；冷等静压成型条件：介质：水；压强：40MPa；保持时间：10分钟；
（4）烧结成型：由室温逐步升温至380℃，并在375℃保温180分钟，烧结结束后自由降温。
3、性能指标：所述聚四氟乙烯摩擦材料压缩强度23.5MPa,摩擦系数0.29，体积磨损率6.60×10-6mm3/N.m。
对比例：原料配比：聚四氟乙烯140g；热塑性聚酰亚胺40g；纳米氮化钛6g，摩擦性能调节剂（云母）6g。制备工艺过程同上。性能指标：压缩强度（5%形变）：22.5MPa，摩擦系数：0.29，体积磨损率：6.50×10-6 mm3/N.m。
通过对比发现，与热塑性聚酰亚胺填充聚四氟乙烯材料相比，热固性聚酰亚胺填充聚四氟乙烯材料的压缩强度提高了13.3%，摩擦系数增大了10.3%。因此，热固性聚酰亚胺在提高聚四氟乙烯抗承载和摩擦系数方面优于热塑性聚酰亚胺。
实施例3
1、原料配比：聚四氟乙烯100g；热固性聚酰亚胺25g；纳米氮化钛10g，摩擦性能调节剂（云母、滑石粉、高岭土与蒙脱土等质量比混合）6g。
2、制备工艺：
（1）混料：将聚四氟乙烯、热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛与摩擦性能调节剂混合，在搅拌速度80rpm下搅拌3min后，将混合料投入气流粉碎机，在气室压力0.5MPa下高速混合5min；混合均匀后振荡筛过滤杂质，烘干，得到均匀的混合料；
（2）预成型：将上述混合料放入金属模具，水平放置在液压机上，在35MPa的压力下压制3分钟，脱模，得到预成型毛坯；
（3）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，放入冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；冷等静压成型条件：介质：水；压强：45MPa；保持时间：10分钟；
（4）烧结成型：由室温逐步升温至385℃，并在385℃保温150分钟，烧结结束后自由降温。
3、性能指标：所述聚四氟乙烯摩擦材料压缩强度20.5Mpa，摩擦系数0.34，体积磨损率8.60×10-6mm3/N.m。
上述各实施例中，热固性聚酰亚胺为苯乙炔苯酐封端的联苯型聚酰亚胺，其粒径为45~75μm；纳米氮化钛的粒径为10~30nm；云母、滑石粉、高岭土、蒙脱土等的粒径为25~38μm。

Claims (4)

1.一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料，是由以下质量份的原料和工艺制备而成：
原料组分：聚四氟乙烯50～70份；热固性聚酰亚胺15～25份；纳米氮化钛2～7份，摩擦性能调节剂2～10份；
制备工艺：
（1）混料：将聚四氟乙烯、热固性聚酰亚胺、纳米氮化钛与摩擦性能调节剂混合，在50～80rpm搅拌3～5min；投入气流粉碎机，在气流粉碎室压力0.2～0.5MPa下混合5～10min；振荡筛过滤杂质，烘干，即得均匀的混合料；
（2）预成型：将上述混合料放入金属模具，水平放置在液压机上，在25～35MPa的压力下压制3～5分钟，脱模，得到预成型毛坯；
（3）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，置于冷等静压机中，以水为介质，在35～50MPa下保持10～15分钟，得到冷等静压毛坯；
（4）烧结成型：将冷等静压毛坯置于烧结炉中，由室温逐步升温至370～385℃，保温150～210分钟；烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯基复合摩擦材料；
热固性聚酰亚胺为苯乙炔苯酐封端的联苯型聚酰亚胺，其粒径为45～75μm。
2.如权利要求1所述一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料，其特征在于：聚四氟乙烯的粒径为100～150μm。
3.如权利要求1所述一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料，其特征在于：纳米氮化钛的粒径为10～30nm。
4.如权利要求1所述一种有机-无机填料改性的聚四氟乙烯基摩擦材料，其特征在于：摩擦性能调节剂采用云母、滑石粉、高岭土、蒙脱土中的一种或几种的混合物，其粒径为25～38μm。
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